哥伦比亚号航天飞机事故分析

哥伦比亚号航天飞机事故分析前言：哥伦比亚号航天飞机，1981年4月12日首次发射，是美国第一架正式服役航天飞机，哥伦比亚号机舱长18米，能装运36吨重的货物，外形象一架大型三角翼飞机，整个组合装置重约2000吨，在滑行中它还能向两侧方向作2000公里的机动飞行，以选择合适的着陆场地。2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在以10，000英里/小时的速度返回地球途中，突然解体了。事故导致7名宇航员都丧生，价值40亿美元的航天飞机彻底损坏，碎片散落在美国德克萨斯州200平方英里的范围内。美国政府１日宣布成立一个独立调查机构，调查“哥伦比亚”号航天飞机失事事件。美国国家航空与航天局局长肖恩·奥基夫说，美国空军和海军的有关专家将加入美国运输部及其他政府部门官员组成的独立调查机构，联手调查这次航天飞机失事事件。美国航空航天局(NASA)12月30日公布了400页的《哥伦比亚号机组生存调查报告》，详细介绍了机上7名宇航员在航天飞机高空解体之时试图对其恢复控制等情况，并且逐渐公布了关于哥伦比亚号航天飞机事故的具体分析结果等内容。哥伦比亚号的失事使得航天飞机为国际空间站运送宇航员和物资这一主要作用也暂时被搁置，太空和军事政策智囊团公司的主任约翰-佩克表示航天飞机本来预计的使命并非仅仅是为国际空间站运送物资，而现在这却成了主要任务，而且用航天飞机给国际空间站运货成本太高，合计下来每磅货物的运输成本高达2万美元。而且，在事故后的几个月的调查当中，也花费了上百亿美元的费用。由此看来，哥伦比亚号航天飞机的失事可以说是人类航天史上最为严重的悲剧，同时对于后世的警告意义也非常重大。初步分析：美国航空航天局（ＮＡＳＡ）公布的《哥伦比亚号机组生存调查报告》（以下简称《报告》）指出了此次事故的几项主要原因。其一，泡沫材料撞击航天飞机。《报告》说，导致“哥伦比亚”号事故的技术原因，是这架航天飞机发射升空81.7秒后，外部燃料箱外表面脱落一块泡沫材料，撞击导致航天飞机左翼前缘的热保护系统形成裂孔。今年2月1日，航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂孔处进入“哥伦比亚”号机体，造成航天飞机解体。其二，美国航天局管理因素。《报告》同时认为，导致事故的还有美国宇航局管理上的因素，它在事故中所起的作用等同于泡沫材料撞击。《报告》称，美国宇航局缺乏一种“强效安全文化”。因为带有缺陷的决策过程：在发射后的第二天，就在检查中发现了泡沫撞击，工程师们要求用宇航员或遥控摄像机检查损坏情况。然而，发射经理对此却不以为然，因而也没有采取任何措施来确认航天飞机的整体性能或准备应急救援计划。其三，逃生系统等设计有待完善。《报告》说，从“哥伦比亚”号舱内警报响起，到宇航员生命结束只有约1分钟时间。航天飞机翻滚着失去控制，宇航员威廉·麦库尔按下数个按键，试图控制航天飞机。其他大多数宇航员也按ＮＡＳＡ既定程序操作。但是宇航员却没有时间为逃生做准备。3名宇航员没有戴防护手套，1人没在自己坐椅上，1人没戴头盔。数秒钟后，“哥伦比亚”号乘员舱失压。《报告》认为，压力下降造成的缺氧让宇航员死亡或昏迷，昏迷者随后在飞机剧烈翻滚摇晃中受到致命撞击致死。而且，宇航员即便有时间穿上防护衣物，在飞机失压后给自己增压，也只能多活一段时间，依旧不可能生还。具体分析：一撞击实验在哥伦比亚号航天飞机失事后的4个半月中，事故调查人员竭尽全力从德克萨斯等地找回了绝大部分能找到的残骸，收集了许多目击者的证词和影像资料。然而他们还是无法确定是什么造成了哥伦比亚号在重返大气层时的解体。6月6日，在地面进行的一项重要实验表明，航天飞机外贮箱上脱落的一块泡沫材料对航天飞机的撞击———正如人们先前怀疑的那样，可能最终导致了此次人类史上的巨大的悲剧。在哥伦比亚号航天飞机事故刚刚发生不久，“泡沫撞击说”就很快的被提出来了。但是调查人员不清楚一块手提箱大小的泡沫到底能不能撞坏航天飞机。随着越来越多的证据指向哥伦比亚号左翼损坏的防热瓦，哥伦比亚号事故调查委员会决定安排一次模拟实验，确定外贮箱表面的泡沫材料是否有损伤防热瓦的能力。6月6日，实验在德克萨斯州圣安东尼奥的西南研究院进行。选择在这个非营利性质的多学科研究机构进行实验，是因为西南研究院拥有适当的实验装置：氮气炮。氮气炮是用来研究鸟类对飞行器撞击的装置，因为每年都会有一些倒霉的鸟撞到飞机的机身或者发动机。工程师造出了以压缩的氮气作为推进动力的发射装置，朝实验飞机发射一些活鸡“炮弹”。让飞机运动和让机运动造成的效果是一样的。利用这种装置，工程师研究鸟类的撞击可能会对飞机产生什么影响。不过这次，氮气炮发射的不是活鸡，而是一块航天飞机外贮箱上的泡沫材料。被撞击的防热瓦也是货真价实的材料。为了保证实验更加真实，调查人员取来了发现号航天飞机上相应部位的防热瓦——这些防热瓦已经跟随发现号飞行了30次以上，与哥伦比亚号上的防热瓦大致相同。当航天飞机重返大气层的时候，机身与大气分子磨擦产生高热。为了保护航天飞机的铝质结构不被高温破坏，需要在机身受热部位放置防热瓦。机身不同部位使用不同的防热瓦，这是因为重返大气层时机身的受热不均匀。这次实验的防热瓦是位于航天飞机左翼前缘的强化碳—碳复合材料防热瓦(RCC)。强化碳防热瓦的横截面呈“U”形，它能经受超过1200摄氏度高温的考验，是整个航天飞机防热系统中最耐热的材料之一。在众目睽睽下，调查人员给氮气炮装填了一块0.76公斤的正方形泡沫，并把它以每小时843公里的速度发射了出去。泡沫撞到强化碳防热瓦之后立即变成了一团细小的碎片——正如哥伦比亚号发射时遇到的情形。在距离实验地点近50米处的人们似乎看不出防热瓦有什么变化，但是近距离的观察显示，一条裂缝贯穿了防热瓦的截面。随后，工程师还发现，用于密封两个强化碳防热瓦之间缝隙的“T”形封条也被损坏了。由此可以得出结论，即与事故中观察到的体积相仿的泡沫，确实可以撕裂和损坏一片强化碳防热瓦。二管理漏洞：《报告》指出，造成“哥伦比亚”号失事的直接原因是航天飞机外挂燃料箱外表面脱落的一块泡沫材料撞击航天飞机左翼前缘的热保护部件形成裂孔，当航天飞机重返大气层时，超高温气体从裂孔处进入机体，造成航天飞机解体。而从根源上看，“哥伦比亚”号与1986年“挑战者”号的两次失事，皆由管理人员安全意识淡薄而引起。美国宇航局管理上的因素在事故中所起的作用，等同于泡沫材料撞击。调查委员会称，哥伦比亚号飞行期间，NASA的工程师就已经知道其左翼在起飞过程中曾受到泡沫材料的撞击，可能会产生严重后果，而且当时也有办法补救，但这些情况并未引起有关人员的重视。这说明，造成哥伦比亚号解体并非技术原因，而是因为缺乏强有力的管理。因此调查报告严厉指出：在这起事故中，NASA的组织作风与那块脱落的泡沫绝缘板应负同样责任！“报告还指出，航空航天局一共丧失了7次解决问题的机会，而管理层并没有从惨剧中吸取教训，他们还反复强调称，NASA内部没有安全问题，“哥伦比亚”号事故是无法避免的。以为自己拥有强大的安全文化，这就是NASA最可怕的“盲点”。《报告》除了追究NASA的责任之外，还将美国国会和白宫也“数落”了一番。《报告》指出，10多年以来，NASA都在奇缺的预算中挣扎。据统计，1993年到2002年之间，NASA预算分文未加，但其实际购买力降低了13％。但另一方面，也是在过去的10年中，NASA承受了国际空间站的压力，在预算紧张的情况下，NASA不得不大量裁员，1991年，NASA的全体员工和雇佣工人共3．2万人，而到了1997年就只剩下1．9万了。《报告》中写道：“白宫、国会和航空航天局高层不断施加压力，要求减少或冻结航天飞机的操作费用。而最终导致的结果是，安全和技术支持被耽误，航天飞机的构造得不到及时改进。”另外，为了赶进度，NASA不惜一次又一次地冒险，就是在一次又一次的“侥幸心理”中，“哥伦比亚”号的7位勇士永远地留在了蓝天……三逃生计划《报告》称，哥伦比亚号STS-107任务组成员没戴加压飞行帽，而且还有3名宇航员没戴太空手套。然而，机组成员所犯的这些错误，并不是导致他们在“哥伦比亚”号事故中丧生的原因，因为即使他们戴了飞行帽和手套，也难逃一死。“哥伦比亚”号座位的设计也降低了机组成员幸存下来的概率，他们无法把自己固定在一个适当的地方，航天飞机产生的旋转力导致他们受到严重的钝性外伤。头盔不合适也致使他们严重的外伤和创伤。负责编撰这份报告的宇航员、飞行员和工程师小组说，这项调查“遵循的信念是，我们可以利用一项尊重事实的全面调查给我们提供的知识，来提高未来太空飞行成员和探险人员的安全性。”该报告发现，在“哥伦比亚”号下降过程中，分别发生5个不同的致命事件。这份报告要求，美国宇航局要增强宇航员的训练强度，帮助太空飞行员从应急反应(emergencyresponse)向生存模式转变。它还提出建议说，美国宇航局在为未来的飞船设计座位和增压服时，要想到飞船失控问题。例如现在的宇航服，宇航员在紧急逃生过程中，还必须亲自用手打开他们的降落伞。如果对该系统进行改进，使头盔面罩可以自动关闭，或者降落伞可以自动打开，那么当一名在太空飞行事故中幸存下来的宇航员失去知觉时，这些改进就会大大提高他们存活下来的概率。“哥伦比亚”号完成为期16天的科研任务后，在重返地球的过程中发生爆炸。稍后调查人员发现，该航天飞机在1月16日发射升空时，燃料箱上的一块绝缘泡沫脱落，在“哥伦比亚”号左翼的隔热板上砸了一个洞。在它重返地球时，隔热板破损使炙热气体侵入飞机，最终导致“哥伦比亚”号在距离预定的降落时间还有16分钟时发生爆炸，机组成员全部丧生。对策：可靠性指标是指发射次数和成功次数的关系．即成功攻数／发射次数，大家一般比较关心可靠性．但实际上还有一个非常重要的指标是置信度。置信度就是以样本估计值推论总体实际值大小正确估计的概率。置信度的公式是：n/(n+1).发射一颗，成功一颗，威功率1O0％．其置信度仅为0.5;发射两颗成功两颗．成功率100％。其置信度为0.67。可靠性是表征一个工程、产品系统完成预定工作的能力．但子样少的时候．它的置信度是很低的因此，谈到可靠性时还应同时关注置信度。因此，对于事故分析结果提出的结果要从提高航天飞机的安全性，可靠度等角度入手。《报告》指出的建议有如下几点：一、由于现有的检测技术不足以评估航天飞机轨道器增强碳-碳（RCC）板、支撑结构和连接件的完整性，因而建议NASA应该制定和实施一套全面的发射前检测程序，确定所有RCC防热系统的完整性，并且应该利用非破坏检测技术。二、由于没有充分利用美国政府对航天飞机在轨飞行情况进行拍摄的能力，因而建议NASA应该修改与国家成像测绘局签订的协议备忘录，对航天飞机的每次飞行应进行轨道摄像，并使之成为一种标准要求。三、改进成像系统，使其能够对航天飞机从起飞直到固体助推器分离或其后的飞行过程进行最少3个角度的拍摄。应该考虑利用舰只和飞机等移动运输工具，在航天飞机的上升飞行过程中进行跟踪拍摄。四、外挂贮箱分离之后，提供拍摄并下传外挂贮箱高分辨率图像的能力。对2台控制照相机中的1台进行改进，从而满足上述要求。提供拍摄并下传轨道器前缘系统下侧和两翼热防护系统前段部位高分辨率图像的能力。《报告》指出，包括美国海军核项目在内的一些机构在管理风险方面的经验，都值得NASA借鉴。自从哥伦比亚号空难之后，奥基夫已经将肯尼迪航天中心主任布里吉调到了位于弗吉尼亚州的兰利研究中心，承担起监督组建一个新的安全和工程技术中心的重任。布里吉表示，这一中心将得到充足的测试预算经费，以便NASA将来的发射活动在安全方面受到更严格的监督。报告主要的建议包括航天飞机应具备在轨检查和修复能力、防范外贮箱泡沫脱落以及在美国侦察卫星的帮助下对航天飞机进行更好的观测等。感想：航空航天科技工业是一个国家综合实力的最为突出的表现，同时也体现了一个综合大国的国际地位的高低。我国航天航空专家致力于航天飞行器的研究已逾半个世纪，做出的突出贡献也震惊了世界，为祖国和人民赢得了荣誉。但是同时，我们也要看到我们航空航天事业和美国等发达国家的差距所在，严格要求自己，鼓励技术创新